第11章 深受弯构件

第11章 深受弯构件

钢筋混凝土深受弯构件是指跨度与其截面高度之比较小的梁。按照《公路桥规》的规定，梁的计算跨径l与梁的高度h之比l/h≤5的受弯构件称为深受弯构件。深受弯构件又可分为短梁和深梁：l/h≤2的简支梁和l/h≤2.5的连续梁定义为深梁；2＜l/h≤5的简支梁和2.5＜l/h≤5的连续梁称为短梁。

钢筋混凝土深受弯构件因其跨高比较小，且在受弯作用下梁正截面上的应变分布和开裂后的平均应变分布不符合平截面假定，故钢筋混凝土深受弯构件的破坏形态、计算方法与普通梁（定义为跨高比l/h＞5的受弯构件）有较大差异。

11.1 深受弯构件的破坏形态

11.1.1 深梁的破坏形态

简支梁主要有以下三种破坏形态。

1）弯曲破坏

当纵向钢筋配筋率ρ较低时，随着荷载的增加，一般在最大弯矩作用截面附近首先出现垂直于梁底的弯曲裂缝并发展成为临界裂缝，纵向钢筋首先达到屈服强度，最后，梁顶混凝土被压碎，深梁即丧失承载力，被称为正截面弯曲破坏[图11-1a)]。

当纵向钢筋配筋率ρ稍高时，在梁跨中出现垂直裂缝后，随着荷载的增加，梁跨中垂直裂缝的发展缓慢，在弯剪区段内由于斜向主拉应力超过混凝土的抗拉强度出现斜裂缝。梁腹斜裂缝两侧混凝土的主压应力，由于主拉应力的卸荷作用而显著增大，梁内产生明显的应力重分布，形成以纵向受拉钢筋为拉杆，斜裂缝上部混凝土为拱腹的拉杆拱受力体系[图11-1c)]。在此拱式受力体系中，受拉钢筋首先达到屈服而使梁破坏，这种破坏被称为斜截面弯曲破坏[图11-1b)]。

图11-1 简支深梁的弯曲破坏

a)正截面弯曲破坏 b)斜截面弯曲破坏 c)拉杆拱受力图式

2）剪切破坏

当纵向钢筋配筋率较高时，拱式受力体系形成后，随着荷载的增加，拱腹和拱顶（梁顶受压区）的混凝土压应力亦随之增加，在梁腹出现许多大致平行于支座中心至加载点连线的斜裂缝。最后梁腹混凝土首先被压碎，这种破坏称为斜压破坏[图11-2a)]。

深梁产生斜裂缝之后，随着荷载的增加，主要的一条斜裂缝会继续

斜向延伸。临近破坏时，在主要斜裂缝的外侧，突然出现一条与它大致平行的通长劈裂裂缝，随之深梁破坏。这种破坏被称为劈裂破坏[图11-2b)]。

3）局部承压破坏和锚固破坏

深梁的支座处于竖向压应力与纵向受拉钢筋锚固区应力组成的复合应力作用区，局部应力很大。试验表明，在达到受弯和受剪承载能力之前，深梁发生局部承压破坏的可能性比普通梁要大得多。深梁在斜裂缝发展时，支座附近的纵向受拉钢筋应力增加迅速，因此，深梁支座处容易发生纵向钢筋锚固破坏。

图11-2 深梁的剪切破坏

a)斜压破坏 b)劈裂破坏

11.1.2 短梁的破坏形态

钢筋混凝土短梁的破坏形态主要有弯曲破坏、剪切破坏两种形态，也可能发生局部受压和锚固破坏。

1）弯曲破坏

短梁发生弯曲破坏时，随其纵向钢筋配筋率不同，会发生以下破坏形态：

（1）超筋破坏。短梁与深梁不同，当纵向钢筋配筋率较大时，会发生纵向受拉钢筋未屈服之前，梁的受压区混凝土先被压坏的超筋破坏现象。

（2）适筋破坏。当钢筋混凝土短梁纵向钢筋配筋率适当时，纵向受拉钢筋首先屈服，而后受压区混凝土被压坏，短梁即告破坏，其破坏形态类似于普通梁的适筋破坏。

（3）少筋破坏。当纵向钢筋配筋率较少时，短梁受拉区出现弯曲裂缝，纵向受拉钢筋即屈服，但受压混凝土未被压碎，短梁由于挠度过大或裂缝过宽而失效。

2）剪切破坏

根据斜裂缝发展的特征，钢筋混凝土短梁会发生斜压破坏、剪压破坏和斜拉破坏的剪切破坏形态。集中荷载作用钢筋混凝土短梁的试验与分析表明，当剪跨比小于1时，一般发生斜压破坏；当剪跨比为1~2.5时，一般发生剪压破坏；当剪跨比大于2.5时，一般发生斜拉破坏。

短梁的局部受压破坏和锚固破坏情况与深梁相似。

综上所述，可见短梁的破坏特征基本上介于深梁和普通梁之间。

11.2 深受弯构件的计算

因钢筋混凝土深受弯构件具有与普通钢筋混凝土梁不同的受力特点和破坏特征，因此，对于跨高比l/h＜5的钢筋混凝土梁要按深受弯构件进行设计计算，同时，对于钢筋混凝土深梁，除应符合深受弯构件的设计计算一般规定外，还必须满足深梁的设计构造上的规定，详见《混凝土结构设计规范》（GB50010-200）。

广泛用于公路桥梁的钢筋混凝土排架墩台在横桥向是由钢筋混凝土盖梁与柱（桩）组成的刚架结构（图11-3），实际工程中，往往按简化图式来计算钢筋混凝土盖梁。当盖梁的线刚度（）与柱的线刚度之比大于5时，双柱式墩台盖梁可按简支梁计算，多柱式墩台盖梁可按连续计算；当盖梁的线刚度与柱的线刚度之比等于或小于5时，可按刚构计算。符号E、I和l分别为梁或柱混凝土的弹性模量、截面惯性矩、计算跨径或高度。

图11-3 柱式墩台示意图

a)正面图 b)侧面图

盖梁的计算跨径l取l c和1.15l n两者较小者，其中l c为盖梁支承中心之间的距离，l n为盖梁的净跨径。在确定盖梁的净跨径时，圆形截面柱可换算为边长等于0.8倍直径的方形截面柱。当盖梁作为刚构分析时，盖梁跨径可取支承中心的距离。

《公路桥规》规定，当钢筋混凝土盖梁计算跨径l与盖梁高度h之比l/h＞5时，按钢筋混凝土一般受弯构件进行承载力计算；当盖梁的跨高比l/h为：简支梁2＜l/h≤5；连续梁2.5＜l/h≤5时，钢筋混凝土盖梁应作为深受弯构件（短梁）进行承载力计算。

11.2.1 深受弯构件（短梁）的计算

以桥梁墩台钢筋混凝土盖梁为例，介绍深受弯构件（短梁）的截面计算方法。

1）深受弯构件的正截面抗弯承载力计算

钢筋混凝土盖梁作为深受弯构件（短梁），当正截面受弯破坏时，取受力隔离体如图11-4所示。因此，可得到正截面抗弯承载能力M u及满足设计要求的计算式：

≤ （11-1）

（11-2）式中 ——盖梁最大弯矩组合设计值；

——截面受压区高度，按一般钢筋混凝土受弯构件计算；

——截面有效高度。